半刚性钢框架梁柱弱轴端板连接的试验研究和有限元分析

空间钢框架结构的高等分析必须考虑梁柱弱轴连接的抗弯性能。为研究钢框架梁柱节点弱轴端板连接的性能,进行2个边柱弱轴端板连接试件和2个中柱弱轴端板连接试件的单调加载试验,并建立有限元分析模型。为与试验结果对比,有限元分析采用的构件几何尺寸、材料特性等参数和加载过程均与试验相同,对比显示有限元分析结果和试验结果吻合较好。明确了弱轴端板连接的应力分布、塑性发展、变形特点和破坏模式。研究表明:①梁柱弱轴端板连接具备一定的转动变形能力和良好的弯矩承载能力,在端板受拉区可能形成塑性铰;②梁端弯矩较小时弯矩-转角曲线就体现出非线性的性质,弱轴端板连接属于典型的半刚性连接;③中柱节点和边柱节点弱轴端板连接的承载力基本一样,但半刚性特性差别很大。     

端板连接高强度螺栓群中和轴位置研究

为研究端板连接中高强度螺栓群的中和轴位置变化,对门式刚架外伸式端板连接进行了试验研究与理论计算.试验采用4种梁截面尺寸,选择端板厚度和端板加劲肋作为研究参数,对12个试件进行了单调加载试验,通过在螺栓杆无螺纹区开槽粘贴应变片测量了端板螺栓力的变化情况.理论计算系建立带弹性支座的连续梁模型模拟端板连接,将模型计算结果与试验结果比较分析,结果表明：加载过程中,螺栓群中和轴逐渐从其形心轴向受压区移动,但不超过受压翼缘内侧螺栓中心线;极限状态下,受拉翼缘和端板可简化为等效T型件.根据理论模型,进行了简单的参数分析,研究了撬力、端板厚度和螺栓排列等对连接性能的影响.最后结合试验结果及理论计算,对现有计算方法进行了评价.     

柱轴压比对梁柱高强度螺栓外伸端板连接节点单调加载性能的影响

基于非线性有限元分析方法,分析了一组柱轴压比不同的梁柱高强度螺栓外伸端板连接节点在单向加载作用下的节点的初始连接刚度、极限弯矩承载力和破坏模式,得出柱轴压比是影响梁柱高强度螺栓外伸端板连接节点性能的主要因素之一。     

混凝土十字形中柱的板柱连接抗震性能试验研究

通过两个大比例十字形中柱的板柱连接试件(其中一个试件配置抗冲切锚栓),在竖向荷载和低周反复水平荷载作用下的试验,探讨了十字形中柱的板柱连接在模拟地震作用下的裂缝形态、破坏特征、混凝土以及钢筋的应变、滞回特性、位移延性等一系列受力特性。试验研究表明,十字形中柱的板柱连接与传统方形中柱的板柱连接受力性能类似,两个试件的极限侧移比都远超过了1.5%的侧移比限值要求,因此在板柱结构中引入十字形柱是可行的;配置抗冲切锚栓可以显著地提高板柱连接的承载能力和延性。此外,根据试验给出了十字形中柱的冲切临界面形式,并提出了其类似极惯性矩的计算公式,从而使十字形中柱的板柱连接可以应用现行规范的方法进行承载力分析计算,采用该方法的分析结果与试验结果符合较好。     

方钢管混凝土柱穿芯螺栓端板节点性能的非线性有限元分析

用ANSYS有限元程序对方钢管混凝土柱一钢梁穿芯螺栓端板半刚性节点的非线性性能进行了理论分析,并将计算结果与试验结果进行了比较,两者吻合较好。通过对6个系列共13个方钢管混凝土柱一钢梁穿芯螺栓端板连接试件的非线性有限元分析,重点探讨了连接的各类组件对节点力学性能的影响。结果表明：端板加劲肋和高强螺栓预应力对节点力学性能有较明显的影响,端板厚度和轴压比对节点力学性能有一定的影响,螺栓直径及排列间距对节点力学性能的影响较小。     

索结构中销轴耳板连接破坏形式及承载力研究

销轴耳板连接是索结构节点常用的连接形式,然而现阶段针对销轴耳板连接的破坏性试验研究相对较少,其破坏机理尚未明确。为探究销轴耳板连接的破坏形式和承载力,设计7个销孔直径为45 mm,端距与边距比值不同的足尺销轴耳板连接试件,并进行拉力破坏性试验。采用有限元软件ABAQUS对其受力性能进行数值模拟,模拟得到的破坏形式与承载力同试验结果基本一致,验证了有限元方法的正确性。基于有限元模型对销轴耳板连接进行参数化分析,研究销孔直径(93、136 mm)、耳板端距(0.5～4倍销孔直径)、耳板边距(0.5～1.5倍销孔直径)等参数对销轴耳板连接破坏形式和承载力的影响,结果表明耳板端距和边距是影响销轴耳板连接破坏形式和承载力的主要因素。通过理论推导和线性拟合的方法得到了孔壁承压破坏、净截面拉断破坏、端部截面剪切破坏下的承载力计算式。通过算例对比分析提出的设计方法与我国GB 50017—2017《钢结构设计标准》、欧洲BS EN 1993-1-8、美国AISC 360-10在相同设计荷载下设计销轴耳板连接时尺寸的差异,并对我国GB 50017—2017《钢结构设计标准》的改进和完善提出相关建议。     

静力及低周往复荷载作用下端板连接的力学性能研究

由于端板连接节点的多样性,不同构造形式端板连接节点力学性能存在一定差异.有限元分析方法可以通过变化多组几何参数建立大量模型来研究连接节点受力性能,是有效的研究方法之一.在已有试验模型基础上,衍生了一系列端板连接节点有限元模型,考虑材料非线性、几何非线性以及构件之间接触引起的状态非线性影响,对有限元模型进行静力和低周往复荷载计算.计算结果与试验进行了比较,验证了有限元模型的可靠性和有效性,并研究了构造形式对端板连接节点力学性能的影响.     

方钢管混凝土柱-H型钢梁外环板节点抗剪性能研究

设计了3个方钢管混凝土柱-H型钢梁外环板节点试件,通过低周往复荷载试验,研究节点抗剪性能.根据试验现象和结果对节点破坏形式、梁端荷载-位移滞回曲线和骨架曲线进行分析.结果表明试件全部发生核心区剪切破坏,主要特征为核心区钢管腹板撕裂,随着轴压比增加还出现了外环板与钢管柱焊缝断裂的现象.分析轴压比对外环板节点抗剪性能的影响...     

钢柱弱轴外伸端板连接静力试验与钢框架抗震性能

为丰富弱轴半刚性连接刚度数据库、研究端板连接节点刚度对钢框架结构抗震性能的影响规律,进行了弱轴端板连接节点的半刚性性能试验研究,得到了连接节点的弯矩-转角关系曲线,并借助有限元分析软件SAP2000对空间钢框架结构进行了抗震性能分析,得到了4个空间结构模型在多遇地震和罕遇地震下的结构时程位移曲线和层间位移角。研究表明:弱轴外伸端板连接节点刚度约为相同尺寸节点强轴方向的30%,节点变形能力较强,具有良好的耗能能力;节点刚度对结构的前三阶周期尤其是基本周期影响很大;端板连接钢框架在小震、大震下层间位移角均能满足规范要求且具有良好的抗震性能和抗连续倒塌能力。     

基于神经网络的十字形截面方钢管混凝土组合异形柱轴压承载力研究

采用有限元法对方钢管混凝土组合异形柱轴压性能进行模拟分析,通过有限元模型的破坏形式和轴压承载力与试验结果对比,验证了有限元程序的可行性。基于有限元分析结果,训练神经网络,通过承载力的对比,二者误差较小,验证了神经网络的可行性和精确性。利用神经网络对十字形截面方钢管混凝土组合异形柱轴压承载力影响因素进行参数化分析,结果表明承载力随着钢材强度、混凝土强度、钢管高度、钢管尺寸和钢管厚度的增大而增大。     

波纹侧板-方钢管混凝土柱轴压性能研究

为研究波纹侧板-方钢管混凝土柱轴压性能,进行了1个1/2缩尺试件轴压试验,对其受力机理、破坏模式进行分析,发现该类柱具有较好的延性及较高的承载能力。同时对波纹侧板-方钢管混凝土柱进行了有限元分析,分析结果表明：由于波纹板具有较高的侧向刚度,使核心混凝土能够得到较好的约束,但是波纹板基本不承担轴向荷载;破坏形式为钢管局部屈曲、波纹板向外鼓曲、钢管内混凝土及核心混凝土被压碎;随着波纹板厚度增加,承载力、延性提高;随着波纹板强度提高,延性略有提高,对承载力影响不大;承载力随混凝土强度提高而提高,但是延性变差。提出了波纹侧板-方钢管混凝土柱轴压承载力实用计算式,计算值与有限元分析值、试验值吻合较好。     

高轴压比下复式钢管混凝土柱 钢梁连接节点抗震性能试验

为了研究高轴压比下复式钢管混凝土柱 钢梁连接节点的抗震性能,按照现行规范设计了3个强柱弱梁型复式钢管混凝土外环板节点试件,进行了低周往复加载试验,研究其在高轴压比下的破坏形态、承载能力、变形能力以及耗能能力等。结果表明:增加水平环板的宽度可以有效提高节点的延性;锚固腹板加肋可以增加梁柱连接节点的初始刚度,增强节点的整体性,从而提高节点的承载能力和耗能能力;节点试件的破坏表现为钢梁翼缘首先发生屈服,随着水平荷载加大,试件同时出现梁端塑性铰和柱端塑性铰的破坏形态,锚固腹板加肋和水平环板加宽的试件在加载后期出现明显的柱端压弯破坏,各节点核心区应力较小,基本处于弹性阶段,因此高轴压比下复式钢管混凝土柱 钢梁连接节点可实现强节点要求,但不能满足“强柱弱梁”的抗震设防要求。     

冷弯薄壁型钢四肢拼合箱形柱偏压受力性能试验研究与数值分析

对冷弯薄壁型钢四肢拼合箱形截面立柱进行轴压和偏压试验研究,得到各试件的荷载-位移曲线和极限承 载力,详细分析了试件的屈曲模式和破坏特征。建立了考虑材料、几何和接触非线性的有限元模型对试验试件进 行模拟分析,两者吻合较好,验证了有限元方法的正确性。进而采用数值方法分析了构件长细比、螺钉间距和位 置、偏心距和偏心方向对该类拼合立柱偏压受力性能的影响。结果表明：双向刀铰支座可以很好的实现铰接;螺 钉间距为300mm时,拼合柱各肢整体协同工作性能良好;轴压和绕弱轴偏压试件最终破坏模式均为绕弱轴整体弯 曲,绕强轴偏压时,试件破坏模式为弯扭失稳,但扭转不明显;拼合柱的偏压极限承载力和刚度随长细比和偏心 距的增大而降低;偏心距相同时,拼合柱绕强轴偏压的极限承载力和刚度比绕弱轴偏压略高。     

四肢拼合冷弯薄壁型钢截面立柱轴压性能试验研究及数值分析

对不同长细比的8根四肢拼合冷弯薄壁型钢截面立柱的轴压性能进行试验研究,在试验研究的基础上建立考虑材料、几何和接触非线性的有限元模型,并通过对试验试件的数值模拟,验证有限元方法的正确性。采用数值方法分析长细比、连接螺钉间距、截面翼缘宽厚比对四肢拼合冷弯薄壁型钢截面立柱轴压性能的影响。结果表明:试件最终破坏均呈现局部屈曲和畸变屈曲的破坏模式;四肢拼合冷弯薄壁型钢截面立柱的轴压性能具有"1×4≥4"的拼合效应;随着长细比的增大,四肢拼合立柱的最大承载力和刚度逐渐降低;当螺钉间距在150～450mm之间变化时,四肢拼合立柱的最大承载力和刚度变化不大;减小四肢拼合立柱截面的翼缘宽厚比,可以显著提高其最大承载力。     

圆端形钢管混凝土中长柱轴压性能

为研究圆端形钢管混凝土中长柱的轴压性能,考虑了构件千分之一杆长的初弯曲,使用有限元软件ABAQUS建立了圆端形钢管混凝土中长柱精细化有限元分析模型,利用已有试验数据验证有限元模型的合理性与精确性,在此基础上分析了试件的变形模式和承载能力状态,比较短柱、中长柱与长柱性能的不同,得出了圆端形钢管混凝土界限长细比。综合分析了长细比、钢管厚度、混凝土强度、钢材强度、高宽比等参数,提出了圆端形钢管混凝土中长柱极限承载力简化计算公式,并对简化计算公式的准确性进行了验证。结果表明:短柱为强度破坏,中长柱发生弹塑性失稳破坏,长柱发生弹性失稳破坏; 在其他条件相同的情况下,圆端形钢管混凝土中长柱的极限承载力、延性与长细比呈负相关,与钢材强度、钢管厚度呈正相关,混凝土强度的变化对承载力和延性的影响不大; 短柱与中长柱界限长细比λ₀=10～11,中长柱与长柱界限长细比λ_p=86.4～96.0; 与试验数据及有限元计算结果相比,承载力公式具有足够精度,可为圆端形钢管混凝土中长柱研究与工程应用提供理论依据。     

热轧H型钢组合柱轴压承载性能研究

热轧H型钢组合柱是由热轧H型钢与钢板焊接拼合而成,并在内部灌注混凝土形成钢-混凝土组合截面构件。为研究热轧H型钢组合柱的轴压承载性能,完成了3个热扎H型钢组合短柱轴压试验,得到了试件在轴压荷载下的破坏形态、荷载-位移关系曲线和荷载-应变关系曲线等。建立了经试验验证的精细化有限元模型,并以钢材强度、混凝土强度和长细比为关键参数进行分析。研究结果表明:热轧H型钢组合柱的延性很好,但是试件端部H型钢外伸翼缘由于约束较弱,所以轴压荷载作用下先行屈曲;试件截面中部腹板拼接焊缝处钢板的宽厚比较大,易出现局部稳定问题;采用的有限元模型可准确模拟试件在轴压荷载下的破坏形态、荷载-位移关系等。在混凝土强度等级C20~C90、钢材强度等级Q235~Q420范围内,基于试验和有限元分析结果,提出钢-混凝土组合构件的轴压短柱承载力和中长柱的稳定承载力计算公式,公式计算结果与试验值及有限元分析值吻合较好。     

高轴压比下中高剪跨比双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究

通过对4片高轴压比、中高剪跨比双钢板-混凝土组合剪力墙的拟静力试验,研究该类组合剪力墙在低周往复水平荷载作用下的受力性能和破坏模式,分析其延性、刚度、承载力、耗能等性能指标,以及剪跨比、轴压比、距厚比（栓钉间距与钢板厚度之比）等因素对其抗震性能的影响。试验结果表明：中高剪跨比试件的破坏模式为压弯破坏;墙体钢板随距厚比的增加更易发生局部屈曲;试件轴压比越大,压屈越明显、屈曲范围越接近试件底部、屈曲发展越迅速;试件刚度和极限荷载受轴压比、距厚比的影响较小,但变形能力随轴压比的增大而降低;试件剪跨比越大、轴压比越小,滞回性能越稳定;试件耗能随变形增大而迅速增长,抗震性能良好。     

轻钢轻混凝土柱轴心受压承载力试验研究

通过6根轻钢轻混凝土柱的轴压试验,研究了不同长细比、含钢率和缀板间距等参数对其轴压承载受力性能的影响.试验结果表明：含钢率一定时,长细比为57.2的轻钢轻混凝土柱发生整体失稳破坏,长细比为40.1和46.7的轻钢轻混凝土柱发生强度破坏,破坏时钢管均发生了局部屈曲;轻钢轻混凝土柱的承载力随含钢率增大而增大,随长细比增大而减小,而缀板间距对轻钢轻混凝土柱的承载力影响不大;轻钢轻混凝土柱与普通混凝土柱的抗压破坏机理和形态基本相似,其轴压承载力可按普通混凝土柱轴压承载力公式计算.     

压弯扭复合荷载作用下钢管约束钢筋混凝土柱的承载力及弯扭相关关系研究

以4个钢管约束钢筋混凝土柱(STRC)在弯扭和压弯扭复合荷载作用下的试验研究为基础,采用有限元软件ABAQUS建立了钢管约束钢筋混凝土柱的有限元模型,分别模拟试件在弯扭以及压弯扭复合荷载作用下的破坏模式和承载能力,与试验结果进行对比,验证了有限元模型的正确性。通过有限元模型参数化分析,研究钢管强度、钢管厚度、截面尺寸、混凝土强度、纵筋直径与屈服强度、箍筋直径与屈服强度以及轴力等因素对复合荷载作用下承载力的影响。研究结果表明,钢管厚度、截面尺寸、纵筋的直径与屈服强度以及轴压力是影响复合荷载作用下承载力的主要因素。当圆形截面STRC柱的轴压力达到0.3N_u(N_u为柱轴压承载力)或方形截面STRC柱的轴压力达到0.5N_u时,柱的承载力达到最大。在不同因素的影响下,相同荷载作用下钢管约束钢筋混凝土柱的受弯承载力和受扭承载力之间的相关关系基本一致。     

带垫板的双肢背靠背C型钢组合柱承载力分析

针对带垫板的双肢背靠背C型钢组合柱,通过试验和有限元模拟分析,研究该类型组合柱在偏心荷载作用下的受力特性,就偏心距、长细比、垫板厚度和间距等参数对组合柱承载力、刚度与轴向荷载的关系和M-φ曲线的影响进行讨论。结果表明:C型钢腹板和受压翼缘在整体失稳之前出现了严重的局部屈曲,组合柱的破坏模式均为弯矩作用平面内的弯曲失稳。长细比、偏心距和垫板间距是影响组合柱受力性能的主要因素,垫板厚度的影响有限。最后与规范GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》规定的柱承载力的计算方法进行对比,对该类组合柱的承载力计算给出了相关建议和承载力计算的修正系数。